基于PixArt PAH8011ES+nrf52832实现穿戴设备SDNN检测方案

SDNN英文全称为standard diviation of NN intervals,中文称为全部窦性心搏RR的标准偏差(也称RR间期),单位为ms。
SDNN为评估心率变异性程度HRV的重要指标,同时也是HRV的一个重要应用方向。


越健康的人,其HRV 信号越不规则,越复杂。即, HRV 信号简单的人,说明其健康状态不佳。

SDNN 值大,说明心率变化信号的复杂程度高;

SDNN 值小,说明心率变化信号较简单。

SDNN的减少代表心搏活动的变异性、复杂性减少,说明人体对于不断发生变化的周围环境适应能力低下。心搏间这些微小的变化当中,可以得知自主神经系统自动动态平衡机制。身体健康、调节能力较突出的人,对体内随时发生变化的血氧浓度、体温、血压等因素很快适应过来,维持一定的动态平衡,而患病的机体因各项机能衰退,调节能力下降,无法维持平衡

目前医学上对SDNN的看法,基本上医学研究是保守的,医学上通常都会认为SDNN低于30ms代表身体有些不好的状况,所以应用建议会是量测多天去观察SDNN的变化趋势,若持续下降及数值低于30ms就需要引起注意。
目前医学研究已知通过呼吸训练(深呼吸放慢呼吸速度)可以提升SDNN数值,另外许多研究证明通过运动(甚至在参加心脏康复计划的患者)也可改善SDNN。

由于每个人的身体状况(个体差异)不同,相对的每个人的身体状况不同可以使用方式也不同,总的来说SDNN数值有提升代表身体健康状态在改善。

 

本方案使用原相PAH8011ES传感器+nordic的nRF52832 MCU主控,选用的为目前成熟稳定可靠器件,通过高精度的算法,输出高可信度静态心率与SDNN数值,以用户更容易了解自身的身体状态的心率与SDNN数值情况

 


参考线路





关于算法


算法通过对原始数据PPG采样率为20HZ进行采样,然后通过计算PPG信号上解析出心率相关特征信号,计算出心率beat to beat上之间在测试时间内的标准偏差,即算出SDNN,另外会同时算出这个测试期间的平均心率。


算法占用:Code size 约23K, RAM size 约13K


算法初始化代码


编译环境配置注意

IAR的编译环境,project->options->linker->libray
請依照下面截图所示增加设定字段
--redirect __iar_FLog=logf
--redirect __iar_FSin=sinf
否则编译时会出面Error报错问题



 


软件驱动代码调试



根据通信方式与平台接口的读、与及 连读接口代码






纹波测试
参考测试方法及注意事项如下:


1.需在8011工作在“LED绿灯打最亮时”测量各电压纹波是否小于100mV


2.测试时,需用黑色不透光的材料(如:吸光泡棉/黑色rubber/黑布)把sensor区贴住,不漏光串光,让sensor接收不到光线,


此时LED绿灯会自动打到最亮状态(此时LED绿灯打光强亮度会变得很耀眼),测量此时各路电压纹波。


(测试前注意确认一下黑色材料是否会透光,简便方法是用手机的闪光灯强光先确认一下。)


3.如果已启用touch检测功能,需要暂时把此功能先关掉(否则检测到皮肤/物体离开或接受不到红外光线时,LED绿灯会自动关掉,绿灯会达不到最亮状态)。


方法:修改FW设定,在pah8series_config.h文件中把#define PPG_MODE_ONLY的宏打开,即可关掉touch mode




调试Log信息



APP参考界面


 

1.为了保证测试效果,SDNN测试时间会建议至少3分钟,建议测试180秒
2.提示用户在测试过程保持全程静止。
应用建议:
  如果用户的SDNN结果总是低于医学研究30ms警示值时间超过3天,应用上应给予用户提醒,建议用户及时调整生活方式、放松训练及适当运动等。大多数人可以通过锻炼和放松 (例如呼吸训练) 恢复到健康的状态。

场景应用图

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展示版照片

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方案方块图

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核心技术优势

1.本方案使用的是原相PAH8011ES,此芯片集成的DSP获得 处理过的PPG数据,驱动一个红外灯、2个绿灯,低功耗、高性能、高品质的PPG数据输出。主控部分基于 noidic nRF52832 低功耗蓝牙芯片开发,具有超低功耗及极高的设计灵活性。 2.成熟稳定可靠模块电路设计,器件集成度高,可实际较小的体积,有利于穿戴产品的集成 3.可提供现成算法且可靠成熟 4.可通过蓝牙与智能移动终端连接,数据可以在 APP 上显示和记录

方案规格

1.带有浮点运算单元的ARM® Cortex®-M4 32位处理器,工作频率64MHz 2.具有512kB flash 及64kB RAM 3.系统集成的2.4GHz 无线收发器支持蓝牙低功耗(BLE),ANT及2.4 GHz 私有协议栈。 4.支持串行线调试(SWD) 5.灵活的电源管理,支持电池应用的超低功耗,3.0 V–4.2 V 供电电压 -使用64 MHz内部振荡器快速唤醒 -系统关闭模式下,平均电流小于1.5uA -系统工作模式下,平均电流小于1.2mA 6.心率输出精度:Arms ≤ ±3BPM 7.SDNN输出精度:Arms ≤ ±10ms